基于物联网技术的多电机监控系统的设计.doc

基于物联网技术的多电机监控系统的设计-电气论文基于物联网技术的多电机监控系统的设计 丁俊1，王茂祥1，2，李多贵3，王斌1，朱金荣1 （1.扬州大学，江苏扬州225002；2.中国移动通信集团江苏有限公司，江苏南京210029；3.扬州广播电视总台技术传输中心，江苏扬州225009） 摘要：针对目前工业现场对交流电机缺乏有效监控的问题，为实现对交流电机的参数采集和智能监控，设计了基于物联网技术的多电机监控系统。该系统通过传感器测量电机及其所处环境的相关参数，利用无线自组织网络技术将数据传输至以S3C2440为核心的控制中心，采用SimpliciTI协议进行网络通信，并通过GSM模块进行远程数据传输。实验表明，该系统能够准确测量相关参数，及时发现电机的堵转、缺相、三相不平衡等问题，有效保护电机。 关键词：物联网；自组织网络技术；S3C2440；SimpliciTI 协议 中图分类号：TN99?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）15?0136?03 收稿日期：2015?02?02 基金项目：江苏省教育厅高校科研成果产业化推进工程项目（JHB2012?43） 0 引言 目前，我国电机装机总容量已达4亿kW以上，年耗电量达1.2万亿kWh，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%，数量如此庞大的电机中多数为普通交流电机，在出现异常时没有自我保护能力，而且由于电网质量不稳定、电机老化等原因容易导致电机故障，影响正常生产，甚至危及工作人员的人身安全。 目前的多电机监控系统多采用工控机或者PC机与上位机软件相结合的方式1，虽然其开发周期短，但是需要占用计算机资源，布线繁琐，价格昂贵，不便于携带。随着应用于传动系统的电动机数量越来越多，如何经济、有效和方便地对多台电机同时进行监控、保护和管理，显得越来越重要。本文基于物联网技术，并结合无线自组织网络技术、全球移动通信（GSM）技术和嵌入式技术，设计了一种多电机监控系统，该系统体积小、价格低、安装简便，并具有远程控制功能。 1 监控系统组成 基于物联网的多电机监控系统采用SimpliciTI网络协议以无线方式进行信息交互，该协议是TI公司推出的针对小型RF网络的专有低功耗协议，能够简化实施工作，降低对微处理器的资源占用2。SimpliciTI网络协议由应用层、网络层和射频层组成，支持点对点和星型2 种基本网络拓扑结构3。本系统采用的星型网络拓扑包括数据中心（Access Point，AP）、中继（Range Extender，RE）节点、终端（End Device，ED）节点三部分。中继节点和终端节点负责数据的采集、预处理、发送和对电机的直接控制，中继节点同时还负责数据转发工作。数据中心负责网络的管理和协调，接收所有节点的数据，处理后通过RS 232 接口发送至监控中心。监控中心以ARM9 系列微处理器S3C2440 为核心，负责数据的分析、显示等工作，在数据异常时进行声光报警并采取相应措施，同时通过GSM 模块提示用户。系统网络拓扑结构如图1所示。 2 系统硬件电路设计 2.1 硬件电路总体方案 系统硬件电路主要分为监控中心、中继节点和终端节点三部分。由于中继节点和终端节点的硬件电路相同，因此本文只介绍终端节点电路。图2给出了系统硬件电路，其中，监控中心部分包括微处理器S3C2440、射频模块CC1110、显示模块、键盘、GSM模块和报警模块，终端节点部分包括传感器组及信号处理电路、射频模块、电源模块、继电器和交流接触器。 2.2 终端节点硬件设计 终端节点是直接控制传感器的网络子节点，在系统中有着相当重要的地位4。CC1110作为终端节点的核心，负责采集各传感器的输出信号，经过预处理后发送至数据中心。本系统中每个终端节点包含四种传感器：电压传感器、电流传感器、温湿度传感器和热敏电阻。 如图3 所示，电压、电流测量电路分别采用型号为HNV025和HS03?25A?NP的霍尔传感器，它们利用霍尔效应及磁补偿原理，被测回路与测试回路绝缘度高，可测量直流、交流、脉动信号。 图3（a）所示的电压测量电路中，交流电压经全桥整流后输入传感器，Uout端输出和该交流电压有效值成比例的直流电压。电压跟随器U14A 和稳压管D7 可以有效防止冲击电压损坏CC1110 芯片，运算放大器U14B 用于放大电压信号，便于采样。通过三相电压值可以有效判断是否有过压、欠压、缺相等状况发生。 图3（b）所示的电流测量电路中，三个电流传感器分别串联在三相电路中，规定电流由IN 端口流向OUT端口为电流正方向。当电流为正时，其输出经滤波和运算放大器U6，U7两级反向放大后，由out1端口输出，out2端口输出为0；当电流为负时，运算放大器U8 为同相放大，因此信号由out2端口输出，out1端口输出为0，这样就可以有效的实时测量交流电流大小，并有效区分电流流向，即可判断相序是否正常，三相负载是否平衡。 2.3 监控中心硬件设计 微处理器负责对各个模块的控制和协调工作5，考虑到功耗、体积和易用性等因素，本系统选用ARM9系列的S3C2440芯片，该芯片具有丰富的片上资源，体积小、功耗低，为嵌入式应用提供了低功耗、低成本、高性能的微控制器解决方案。为了保证系统工作的可靠性，复位电路选用专用电压监视芯片MAX811，它稳定性高，功耗低，集成了上电、掉电复位等功能，并可以手动复位6，微处理器电路如图4所示。 GSM模块包含GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器和天线接口的TC35模块。该模块自带RS 232 通信接口，可以方便的和微处理器配合，可靠地实现短消息服务，模块有AT命令集接口，支持文本和PDU 模式的短消息。本系统中主要采用文本方式进行远程通信，在电机出现异常时，该模块主动发送短消息到设定号码，详细报告异常情况；若用户向TC35 模块中的SIM 卡发送短消息，也可达到查询参数和远程控制电机的目的。键盘主要用于对各终端节点参数的设置、查询和电机电源通断的遥控；为了便于用户实时了解电机状态，采用了4线电阻式触摸LCD，可以实时显示各电机参数；报警模块主要是在电机参数出现异常时发出信号，提醒工作人员。 3 系统主要软件设计 3.1 S3C2440程序设计 微处理器S3C2440是监控中心电路的核心，负责控制作为数据中心的射频模块、GSM模块、触摸屏和报警模块，获得和显示各电机相关数据，同时接受远程控制。系统上电后，S3C2440 首先读取系统设置信息，之后向数据中心发出数据采集指令，等待各节点自组织网络组网成功后获取电机相关数据，在触摸屏上显示；数据异常时，发出报警信号，通过GSM模块发送异常信息到指定手机，并向数据异常的节点发出指令，控制交流接触器断开该电机电源，保护电机。微处理器程序流程图如图5所示。 3.2 节点组网程序设计 由于SimpliciTI协议能直接在TI公司出品的CC 系列RF 芯片SoC 上直接运行，因此开发成本低、周期短。在SimpliciTI协议下，数据中心等待终端节点的连接请求建立星型连接，多个终端节点加入时采取“先到先得”的原则7?8。首先，数据中心验证申请加入的终端节点的Join Token值，若与其自身保存的值相同，则发出允许加入应答帧；之后，采用相同的方式验证终端节点的LinkToken值，若仍然相同，则该终端节点加入网络成功，可以进行信息交互。程序流程图如图6所示。 4 结论 本文从便捷、安全管理电机的角度出发，设计了基于物联网技术的多电机监控系统，分析了系统的基本原理和软硬件开发流程，并进行了系统测试。经测试，本系统能准确测量相关参数且通信可靠，能够有效监测电机工作状况，并可以进行远程控制。同时，该系统具有安装方便、布线简单、成本低、可扩展性强等优点，具有较好的应用价值。 参考文献 1 贺安超，刘卫国，马珊.基于CAN总线的多电机嵌入式监控系统设计J.计算机测量与控制，2011，19（7）：1605?1607. 2 王斌，赵卉，朱金荣.基于SimpliciTI协议的智能窗系统的设计J.电子设计工程，2013（10）：139?142. 3 曾哲光.基于TICC1110无线传感网络节点的设计与电路优化D.武汉：华中师范大学，2012. 4 王伟钢，朱杰，施火泉.基于AVR的多功能电机保护器设计J.微特电机，2014，42（1）：31?33. 5 李治斌，邓小芳，张余明，等.基于ZigBee技术的智能调光开关设计J.传感器与微系统，2014，33（1）：60?63. 6 朱延生，蒋泰，佘智.基于ARM的公交优先控制器的设计J.广西科学院学报，2012，28（1）：55?58. 7 陈启明.基于PIC 单片机的无线遥控移动靶控制系统J.工业仪表与自动化装置，2008（2）：42?44. 8 MERENTITIS A，KRANTIS N，PASCHALIS A，et al. Low en?ergy online self ? test of embedded processors in dependable WSN nodes J. IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing，2012，9（1）